基于Proteus仿真的家庭能量管理系统的设计-毕业论文

摘要II字符集字库，只有并行接口，无串行接口。液晶接口信号说明如表3-3：表3-31602液晶屏接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1电源地9数据口2电源正极10数据口3液晶显示对比度调节端11数据口4数据/命令选择端(H/L)12数据口5读写选择端(H/L)13数据口6使能信号14数据口7数据口15背光电源正极8数据口16背光电源负极1602A的引脚图如图3.2：图3.21602A引脚图1602A液晶与单片机接口说明如下：液晶1、2端为电源；15、16端为背光电源；为防止直接加5V电压烧坏背光灯，在15脚串接一个10Ω电阻用于限流。液晶3端为液晶对比度调节端，通过一个10kΩ电位器接地来调节液晶显示对比度。首次使用时，在液晶屏上电状态下，调节至液晶屏上面一行显示出黑色小格为止。液晶4端为向液晶控制器写数据/写命令选择端。本实验中用到两个液晶屏，其中液晶屏1的4端与单片机P3.5口相接，液晶屏2与P1.6相接。液晶5端为读/写选择端，因为我们不从液晶读取任何数据，只向其写入命令和显示数据，因此此端始终选择为写状态，即低电平接地。液晶6端为使能信号，是操作时必需的信号。实验中液晶屏1与P3.4相接，液晶屏2与P1.7相接。液晶7-14端为数据口，用来传送命令和数据，实验中两个液晶屏的数据口均与P0相接。图3.3、3.4分别为实验中所用到的液晶屏1与液晶2。液晶屏1主要用来显示日期、时间和温度，液晶屏2主要用来显示电器及其运行状态，1为电器正在运行中，2为电器关断。图3.3液晶屏1图3.4液晶屏23.4矩阵键盘本实验中用到的矩阵键盘为4×4矩阵键盘。将16个按键拍成4行4列，第一行将每个按键的一端连接在一起构成行线，第一列将每个按键的另一端连接在一起构成列线，这样便有一共4行4列共8根线，我们将这8根线连接到单片机的8个I/O口上，通过程序扫描键盘就可以检测16个键。这是其工作原理。矩阵键盘两端都与单片机I/O口相连，因此在检测时需要人为通过单片机I/O口送低电平。检测时，先送一列为低电平，其余几列全为高电平（此时我们确定了列数），然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平（这时我们又确定了行数），则我们便可确认当前被按下的键是哪一行哪一列的，用同样的方法轮流送各列一次低电平，再轮流检测一次各行是否变为低电平，这样即可检测完所有的按键，当有按键被按下时便可判断出按下的键是哪一个键。当然我们也可以将行线置低电平，扫描列是否有低电平。这是矩阵键盘检测的原理和方法。TX-1C开发板上16个矩阵按键与单片机连接图如图3.5所示：图3.5TX-1C开发板矩阵键盘与单片机连接图从图中可以看出，矩阵键盘的4行分别与单片机的P3.0~P3.3相连，矩阵键盘的4列分别与单片机的P3.4~P3.7相连。TX-1C开发板上键盘区上面四行S6~S12即为16个矩阵键盘，8条线分别与单片机P3口相连。如图3.6所示：图3.6TX-1C开发板上矩阵键盘在本实验中，矩阵键盘的作用主要是调节时间、日期的作用。S10~S13为选择需要调节的数字，每按一下需要调节的数字向前移一位。S14~S17为调大数字，每按一下数字加一。S18~S21为调小数字，每按一下数字减一。3.5温度传感器DS18B20TX-1C开发板上使用DS18B20型温度传感器，采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化成数字信号，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。DS18B20的引脚定义如表3-4：表3-4DS18B20引脚定义引脚定义电源负极信号输入输出电源正极空DS18B20使用的单总线技术采用单条信号线，即可传输时钟，又可传输数据，而且数据传输是双向的。因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销小，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，系统则按多节点系统操作。设备通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其他设备使用总线。单总线通常要求外接一个约为5kΩ的上拉电阻。芯片手册上的典型连接如图3.7所示，DS18B20和TX-1C开发板的连接如图3.8所示：图3.7DS18B20典型电路图3.8TX-1C开发板与DS18B20连接图DS18B20在开发板上的实物图如图3.9：图3.9DS18B20实物图在本实验中，设置21℃为低温临界值，26℃为高温临界值。当温度传感器感受到的温度低于21℃时，空调开暖气；当温度传感器感受到的温度高于26℃时，空调开冷气。3.6MAX232与串口MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。当用单片机和PC机通过串口进行通信，尽管单片机有串行通信的功能，但单片机提供的信号电平和RS232的标准不一样，因此要通过MAX232这种类似的芯片进行电平转换。MAX232的引脚图如图3.10所示：图3.10MAX232引脚图第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚(T1IN)、10引脚(T2IN)输入转换成RS-232数据从14脚(T1OUT)、7脚(T2OUT)送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从13引脚(R1IN)、8引脚(R2IN)输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚(R1OUT)、9引脚(R2OUT)输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC(+5V)。在本实验中，MAX232与串口通过数据线与电源如充电宝等相连，为开发板提供电源。MAX232与串口在实验板上的实物如图3.11所示。图3.11MAX232与串口实物图3.7整体电路图整体硬件电路如图3.12所示：图3.12整体硬件电路第四章Proteus仿真第四章Proteus仿真本研究以Proteus为平台，在此软件上对硬件电路进行设计，并进行仿真，可以观察到与实际相同的现象，并据此仿真拓展出硬件电路，所以在Proteus上仿真对保障研究顺利进行具有非常重要的意义。4.1初始电路由于整个电路的设计和连线较为复杂，所以在设计仿真电路的初始阶段，先设计了一个较为简单的雏形电路，如图4.1：图4.1初始电路1此电路模拟当脉冲信号为低电平（电费低谷）时控制灯亮（电器开始运行），当脉冲信号为高电平（电费高峰）时控制灯灭（电器停止运行）。我们设置脉冲信号为正弦，幅值为5V，如下图：图4.2脉冲信号且通过多次实验测得，在Proteus仿真中的高低电平的临界值为2.49V，此值可作为编写程序时设定电平数据的参考值。图4.3初始电路2此初始电路与上一个初始电路的功能相似，不同之处在于将自动发送的脉冲信号改为开关按钮，当按钮被摁下时为低电平，灯亮；当按钮保持原状态时为高电平，灯灭。相当于采用手动的方式来控制电器的运行状态。4.2完整电路4.2.1单片机部分Proteus中的AT89C52如图4.4所示。连接方式主要采用电气物理连接标号，这种标号方式简便，清晰，快捷。由于P0口内部无上拉电阻，所以在使用时要外接上拉电阻。图中RP1为10kΩ的上拉电阻。在单片机中导入已编好的程序，双击单片机，出现如图4.5所示界面。图4.4单片机部分图4.5导入程序界面选择需要导入的程序，即可完成。4.2.2键盘部分键盘采用4×4矩阵键盘。图4.6键盘部分4.2.3液晶屏部分LCD1用来显示日期、时间、温度，LCD2用来显示电器运行状态。图4.7液晶屏部分4.2.4整体仿真电路图图4.8整体仿真电路图参考文献参考文献[1]郭天祥．新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M]．北京：电子工业出版社，2009．79-349．[2]官拓颖，贺蓉，李仁发，曾刚．一种改进的HEMS家电最优化调度方法[J]．计算机应用研究，2016，33(6)：1727-1729．[3]国家能源局．国家能源局发布2015年全社会用电[OL]．/2016-01/15/c_135013789.htm．[4]李冰．基于电力线通信的家庭能量管理系统[D]．天津大学硕士论文，2011．[5]曾鸣．电力需求侧响应原理及其在电力市场中的应用[M]．北京：中国电力出版社，2011．[6]阳小丹．基于智能用电技术的家庭需求响应研究[D]．东南大学硕士论文，2014．[7]王伟．用户侧能量管理系统设计与原型系统实现[D]．三峡大学硕士论文，2012．致谢致谢首先，我要衷心感谢我的导师王淳老师。老师治学严谨，见解独到，学术造诣很深，对待事情认真负责。在自己教学、管理、科研工作十分繁忙的情况下，依然对我课题的研究方向和研究内容给予了倾心的指导和建议，让我对这个课题从毫无概念到建立起基本的框架，帮助我一步一步向着更好的方向前进。感谢我的许多同学和朋友。在对本课题研究的初始阶段，由于对很多知识了解程度还不够深，因此请教了许多同学和朋友问题，在他们耐心和热情的帮助下，我学到了很多没有接触过的知识，他们的思维方式和思考问题的方法也深深影响着我，让我的学习能力得到很大提高，让这个研究得以顺利进行。另外，在做研究和撰写本文的过程中，参阅了许多学者的论文书籍和科研成果，在此向他们表示感谢。本论文的写作，由于本人在很多方面的水平还远远不够，难免有错误之处和不足的地方，恳请老师的指导批评。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制\t"_bl